리튬 폴리머 전지

Lithium polymer battery
"Li-Po" 및 "LiPo"는 여기에서 리디렉션됩니다.기타 용도는 Li Po(동음이의명료화)를 참조하십시오.
리튬 폴리머 전지
Lipolybattery.jpg
스마트폰에 전원을 공급하는 데 사용되는 리튬 폴리머 배터리
비에너지100~265 W/h/kg(0.36~0.95 MJ/kg)[1]
에너지 밀도250~670 W/h/L(0.90~2.63 MJ/L)[2]

리튬 폴리머 배터리 또는 보다 정확하게는 리튬 이온 폴리머 배터리(일명 LiPo, LIP, Li-poly, 리튬 폴리 등)는 액체 전해질 대신 폴리머 전해질을 사용하는 리튬 이온 기술의 충전식 배터리입니다.고전도성 반고분자(겔)가 이 전해질을 형성한다.이러한 배터리는 다른 리튬 배터리 유형보다 높은 비 에너지를 제공하며 모바일 장치, 무선 조종 항공기 및 일부 전기 [3]자동차와 같이 무게가 중요한 용도에 사용됩니다.

역사

주요 기사:리튬이온배터리»이력

LiPo 전지는 1980년대 광범위한 연구를 거친 리튬 이온 및 리튬 금속 전지의 역사를 따라 1991년 소니의 첫 상용 원통형 리튬 이온 전지로 중요한 이정표를 세웠다.그 후, 플랫 파우치 [4]형식을 포함한 다른 포장 형태가 진화했습니다.

설계 기원 및 용어

리튬 폴리머 셀은 리튬 이온 및 리튬 금속 배터리에서 발전해 왔습니다.주된 차이점은 배터리는 유기 용제(EC/DMC/DEC 등)에 보관된 액체 리튬-염 전해질(예6: LiPF)을 사용하는 대신 폴리(에틸렌 산화물)(PEO), 폴리(acrylonitrile)(PAN), 폴리(메틸 메타크릴레이트)와 같은 고체 고분자 전해질(SPE)을 사용한다는 것입니다.

고체 전해질은 일반적으로 드라이 SPE, 겔화 SPE 및 다공성 SPE의 세 가지 유형 중 하나로 분류할 수 있습니다.건식 SPE는 1978년경 미셸 아르망(Michel Armand)[5][6]이, 1985년 프랑스의 [7]ANVAR와 Elf Aquitane, 캐나다의 Hydro-Qébec이 시제품 배터리에 최초로 사용했다.1990년부터 미국의 Mead와 Valence, 일본의 GS Yuasa와 같은 여러 조직에서 젤 SPE를 [7]사용하여 배터리를 개발했습니다.1996년 미국의 벨코어는 다공질 [7]SPE를 사용한 충전식 리튬 폴리머 셀을 발표했다.

일반적인 셀은 네 가지 주요 구성 요소, 즉 양극, 음극, 분리기 및 전해질로 구성됩니다.분리기 자체는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)의 미세공막과 같은 중합체일 수 있습니다. 따라서 셀에 액체 전해질이 있더라도 "폴리머" 성분이 여전히 포함되어 있습니다.또한 정극은 리튬 전이 금속산화물(LiCoO2, LiMnO24 등), 도전성 첨가물 및 폴리(불화비닐리덴)의 폴리머 바인더(PVDF)[8][9]의 3부분으로 나눌 수 있다.음극 재료는 리튬 금속 [8][9]산화물을 대체하는 탄소로만 동일한 세 부분으로 구성될 수 있습니다.

작동 원리

주요 기사:리튬이온배터리§전기화학

다른 리튬 이온 셀과 마찬가지로 LiPos는 액체 전해질이 전도성 매체를 제공하는 정극 재료 및 부극 재료로부터 리튬 이온의 인터캘레이션 및 탈인터캘레이션 원리를 연구합니다.전극이 서로 직접 접촉하는 것을 방지하기 위해 전극 입자가 한쪽에서 다른 쪽으로 이동하지 않고 이온만 허용하는 미세공 분리기가 그 사이에 있다.

전압 및 충전 상태

주요 기사:리튬이온배터리 charge 충전 및 방전

단일 LiPo 셀의 전압은 화학 작용에 따라 달라지며, 약 4.2V(완전 충전)에서 약 2.7–3.0V(완전 방전)까지 변화합니다. 여기서 공칭 전압은 리튬 금속 산화물(LiCoO2 등)에 기초한 셀의 경우 3.6V 또는 3.7V(최대값과 최저값의 중간값)입니다.이는 리튬-인산철(LiFePO4)에 기초한 3.6~3.8V(충전)~1.8~2.0V(방전)와 비교됩니다.

정확한 전압 정격은 제품 데이터 시트에 명시되어야 하며, 사용 중 셀이 과충전 또는 과방전을 허용하지 않는 전자 회로에 의해 보호되어야 한다는 점을 이해해야 합니다.

직렬 및 병렬로 연결된 셀이 있는 LiPo 배터리 팩은 모든 셀에 대해 별도의 핀 배치가 있습니다.전용 충전기는 모든 셀이 동일한 충전 상태(SOC)가 되도록 셀 단위로 충전을 감시할 수 있습니다.

LiPo 셀에 압력 가하기

록히드마틴사가 NASA용으로 만든 실험용 리튬이온 폴리머 배터리

견고한 금속 케이스를 가진 리튬 이온 원통형 및 프리즘형 셀과 달리, LiPo 셀은 유연한 포일형(폴리머 적층체) 케이스를 가지고 있기 때문에 비교적 구속되지 않습니다.셀을 구성하는 층의 스택에 적당한 압력을 가하면 컴포넌트 간의 접촉이 최대화되고 박리 및 변형이 방지되므로 용량 유지율이 높아집니다.이는 셀 임피던스 및 열화와 관련이 있습니다.[10][11]

적용들

주요 기사:리튬이온배터리 » 사용방법
커스텀 셀즈호 Gmb제 수중 차량용 육각형 리튬 폴리머 배터리h

LiPo 셀은 제조업체에 강력한 이점을 제공합니다.그들은 원하는 거의 모든 모양의 배터리를 쉽게 생산할 수 있다.예를 들어 모바일 장치 및 노트북 시스템의 공간 및 중량 요구 사항을 충족할 수 있습니다.자가 방전율도 월 5% 정도로 [12]낮다.

무인기, 무선 조종 장비 및 항공기

RC 모델용 3셀 LiPo 배터리

LiPo 배터리는 상업용 및 취미용 드론(무인항공기), 무선 조종 항공기, 무선 조종 자동차 및 대규모 모델 열차에 동력을 공급하기 위해 사용되었을 때, 현재 거의 어디에서나 볼 수 있으며, 이 경우 경량화, 용량 증가 및 전력 공급의 이점이 가격에 부합합니다.테스트 보고서는 배터리를 [13]지침에 따라 사용하지 않을 경우 화재의 위험을 경고합니다.

R/C 모델에 사용되는 LiPo 배터리의 장기 보관 전압은 3.6~3이어야 합니다.셀당 9V 범위. 그렇지 않으면 [14]배터리가 손상될 수 있습니다.

또한 LiPo 팩은 기존 NiMH 배터리에 비해 방전 전류가 높고 에너지 밀도가 뛰어난 에어소프트에서 널리 사용됩니다(발화율이 높음).방전 전류가 높으면 아크로 인해 스위치 접점이 손상되므로(접점이 산화되어 카본이 축적되는 경우가 많음), 고체 MOSFET 스위치를 사용하거나 트리거 접점을 정기적으로 청소하는 것이 좋습니다.

퍼스널 일렉트로닉스

LiPo 배터리는 모바일 기기, 파워뱅크, 초박형 노트북 컴퓨터, 휴대용 미디어 플레이어, 비디오 게임 콘솔용 무선 컨트롤러, 무선 PC 주변기기, 전자 담배 등 소형 폼 팩터와 고에너지 밀도가 비용 고려 사항보다 중요한 애플리케이션에 널리 사용되고 있습니다.

전기 자동차

현대자동차는 일부 배터리 [15]전기차와 하이브리드차에, 기아자동차는 [16]기아 쏘울에 이 배터리를 사용한다.여러 도시에서 카 셰어링 제도에 사용되는 Booleré Bluecar도 이러한 종류의 배터리를 사용합니다.

무정전 전원 장치 시스템

리튬 이온 배터리는 무정전 전원 장치(UPS) 시스템에서 점점 더 보편화되고 있습니다.기존 VRLA 배터리에 비해 많은 이점을 제공하며 안정성과 안전성이 향상됨에 따라 기술에 대한 신뢰도가 높아지고 있습니다.크기 대비 전력 및 중량비는 공간 [17]절약이 많은 데이터센터를 포함하여 중요한 전원 백업이 필요한 많은 업계에서 큰 이점이 되고 있습니다.또한 VRLA 배터리보다 Li-po 배터리를 사용할 경우 긴 수명, 사용 가능한 에너지(방전 깊이), 열 폭주 등도 이점으로 간주됩니다.

점프 스타터

차량 엔진을 시동하는 데 사용되는 배터리는 일반적으로 12V 또는 24V이므로 휴대용 점프 스타터 또는 배터리 부스터는 비상 시 다른 점프 시동 방법 대신 직렬(3S1P/6S1P) 3개 또는 6개의 LiPo 배터리를 사용합니다.납산 점프 스타터의 가격은 더 저렴하지만, 비슷한 리튬 배터리보다 크고 무겁기 때문에, 이러한 제품들은 대부분 LiPo 배터리나 때로는 인산 리튬 철 배터리로 바뀌었습니다.

안전.

주요 기사:리튬이온배터리©안전성
누전 고장으로 팽창한 애플 아이폰3GS 리튬이온 배터리.

모든 리튬 이온 셀은 전해질의 약간의 기화로 인해 높은 수준의 충전 상태(SOC) 또는 과충전 상태에서 팽창합니다.이로 인해 박리가 발생하여 셀 내부 층의 접촉이 나빠질 수 있으며,[10] 이는 결국 셀의 신뢰성과 전체 사이클 수명을 감소시킵니다.이는 LiPos의 경우 매우 두드러지는데, LiPos는 확장을 억제할 수 있는 하드 케이스가 없기 때문에 눈에 띄게 팽창할 수 있습니다.리튬 폴리머 배터리의 안전 특성은 인산 리튬 철 배터리와 다릅니다.

고체 고분자 전해질을 가진 리튬 전지

고체 고분자 전해질을 가진 세포는 아직 완전히[18] 상용화되지 않았으며 여전히 연구 [19]주제이다.이러한 유형의 프로토타입 셀은 전통적인 리튬 이온 배터리(액체 전해질 포함)와 완전히 플라스틱인 고체 리튬 이온 [20]배터리 사이에 있는 것으로 간주할 수 있습니다.

가장 간단한 방법은 폴리비닐리덴 플루오르화물(PVDF) 또는 폴리(아크릴로니트릴)(PAN)과 같은 폴리머 매트릭스를 EC/DMC/DEC의 LiPF와6 같은 기존 소금 및 용매로 겔화하는 것입니다.

니시는 소니가 1988년부터 겔화 폴리머 전해질(GPE)을 사용한 리튬이온전지 연구를 시작했으며, 1991년에는 [21]액체 전해질 리튬이온전지가 상용화됐다고 밝혔다.그 당시 폴리머 배터리는 유망했고 폴리머 전해질은 없어서는 안 [22]될 것으로 보였다.결국,[21] 이러한 종류의 셀은 1998년에 시장에 출시되었습니다.그러나 Scrosati는 가장 엄격한 의미에서 겔화막은 "진정한" 고분자 전해질로 분류될 수 없으며, 오히려 고분자 [20]매트릭스 내에 액상이 포함된 하이브리드 시스템으로 분류될 수 있다고 주장한다.이러한 고분자 전해질은 만지면 건조할 수 있지만 여전히 30~50%의 액체 [23]용제를 포함할 수 있습니다.이 점에 있어서, 「폴리머 배터리」를 어떻게 정의할지는 아직 미해결인 채로 있습니다.

이 시스템에 대한 문헌에서 사용되는 다른 용어로는 하이브리드 폴리머 전해질(HPE)이 있습니다. 여기서 "하이브리드"는 폴리머 매트릭스, 액체 용매 및 소금의 [24]조합을 나타냅니다.벨코어가 1996년 [25]초기 리튬 폴리머 셀을 개발하는데 사용한 시스템은 플라스틱 리튬 이온 셀(PLiON)이었고,[24] 이후 1999년에 상용화되었습니다.

고분자 전해질(SPE)은 고분자 매체 중 용제가 없는 소금 용액이다.예를 들어 리튬비스(플루오로술포닐)이미드(LiFSI)와 고분자량 폴리(PEO)[26]의 화합물 또는 고분자량 폴리(트리메틸렌 카보네이트)의 화합물(PTMC)[27]을 들 수 있다.

제안된 전해질의 성능은 보통 금속 리튬 전극에 대한 하프 셀 구성에서 측정되며, 이 시스템은 "리튬-금속" 셀이지만 리튬-철-인산(LiFePO4)과 같은 일반적인 리튬 이온 음극 재료로도 테스트되었습니다.

폴리머 전해질 셀을 설계하는 다른 시도로는 폴리(불화비닐리덴-코헥사플루오로프로필렌)/폴리(메틸메타크라이프레이트)와 같은 미세공극성 폴리머 매트릭스의 가소제로서 1-부틸-3-메틸리다졸륨 테트라플루오로보레이트(BMIM) 등의4 무기 이온성 액체를 사용하는 것을 포함한다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크

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